Введение
Бетон представляет собой, пожалуй, самый универсальный материал строительства, начиная с момента развития цивилизации. Достаточно вспомнить сохранившиеся до сегодняшних дней Великую Китайскую стену, дворцы и храмы Древней Индии, уникальные сооружения Древнего Рима (известково-пуццолановые бетоны на песчано-гравийной смеси). Универсальность бетона прямо связана с простотой и удобством его производства, относительно невысокой стоимостью, структурной целостностью и однородностью конструкций, долговечностью и большим сроком службы при различных агрессивных воздействиях.
Вместе с тем, складывающееся представление о бетоне часто далеко неблагоприятно. С ним связывают большую трудоемкость, массивность, большую нагрузку на окружающую среду в связи с развитием карьерного хозяйства и т.д. Этому же восприятию, во многом, способствует тот факт, что, по данным Gigaton Throwdown Initiative (2009), «цементная индустрия ответственна за выбросы примерно 5% общих выбросов CO2 в атмосферу, или 2,1 гигатонн в год». Действительно, при производстве цементного клинкера в процессе разложения сырьевых компонентов образуется 0,53 кг CO2 на тонну клинкера, еще 0,37 кг выделяется при сгорании топлива, и таким образом, общая нагрузка на окружающую среду достигает 0,9 т CO2 / т клинкера. С учетом ежегодного роста объемов производства и применения цемента этот факт представляет значительную угрозу для человечества, в целом.
Как ни странно, это не вполне справедливо, если рассматривать приведенные к единице прочности конструкции показатели воздействия бетона и других видов строительных материалов на окружающую среду. Так, даже с учетом значительно более низких значений прочности на растяжение по сравнению со сталью, бетон здесь имеет вполне весомые преимущества.
Похоже, что такое восприятие, прежде всего, связано с громадным объемом потребления бетона – около 10 млрд т в год, которое, как ожидается, удвоится к 2050 году в связи с глобальным ростом народонаселения планеты. Поскольку бетон и будущем останется основным строительным материалом, следует ожидать, что если не будут найдены новые пути и механизмы снижения экологической нагрузки, как минимум, на 50%, удержать существующий уровень воздействия не представляется возможным.
Эта проблема настолько глубока и серьезна, что вряд ли существует единственный путь ее решения. Здесь необходим комплексный подход, несколько взаимодополняющих мероприятий, обеспечивающих определенную синергию.
Поскольку, как было отмечено выше, до недавнего времени главным «виновником» экологических неприятностей представлялась цементная промышленность, основные усилия были направлены на совершенствование технологических процессов и снижение потребления клинкера за счет производства смешанных цементов. С появлением высокофункциональных бетонов и новых технологий появилась возможность коренного увеличения коэффициента использования цемента в обычных бетонах. Наконец, разработка концепции проектирования конструкций по их жизненному циклу, «экологическое проектирование», включающие целостный подход, обеспечивающий оптимизацию материальных и энергетических ресурсов в разрезе эксплуатационных издержек, позволяют полностью пересмотреть наши представления о строительстве из конструкционного бетона.
Повышение эффективности производства цемента
(«цементная стратегия»)
Как уже отмечалось выше, этот подход связан с разработкой путей снижения нагрузки на окружающую среду за счет совершенствования технологических процессов, уменьшения доли клинкера в цементах при производстве смешанных цементов, а также создания новых клинкеров [7].
Существующие на сегодня пути совершенствования производства клинкера, как правило, основаны на повышении энергоэффективности печей и помольных установок, использовании альтернативных источников топлива и сырья, улавливании и использовании CO2. Снижение содержания клинкера в цементе, в основном, достигается за счет применения активных минеральных добавок природного или искусственного происхождения при одновременном улучшении гранулометрического состава цемента.
Один из примеров такого подхода – производство так называемых «вяжущих низкой водопотребности», ВНВ [9].
Основой технологии ВНВ является механохимическая обработка рационально подобранной сырьевой смеси, включающей клинкерную составляющую, минеральные добавки, гипс и органический модификатор, содержащий водопонижающий компонент. Изготовление ВНВ осуществляется в регламентированных условиях в традиционно используемых цементной промышленностью помольных агрегатах – трубных шаровых мельницах со специальной загрузкой. При этом отдается предпочтение помолу в замкнутом цикле с использованием сепараторных мельниц, применение которых стало повсеместно распространенным. В процессе помола в присутствии модификатора обеспечивается достижение целого ряда преимуществ, обусловливающих придание готовому продукту специальных свойств, в том числе, значительное повышение гидравлической активности клинкерных минералов при одновременном снижении водопотребности вяжущего. Это достигается за счет дополнительного диспергирования зерен цемента, изменения его фракционного состава и частичной механодеструкции (аморфизации) структуры, а также, по-видимому, за счет временного блокированию наиболее энергетически активных центров зерен цемента молекулами модификатора, хемосорбирующимися на этих центрах.
Пройдя все стадии лабораторных экспериментов и опытного применения, разработка технологии ВНВ завершилась опытно-промышленным и промышленным внедрением на цементных заводах Российской Федерации (Белгород), Украины (Здолбунов), Азербайджана (Карадаг) и на региональных помольных установках МО РФ (Иваново, Самара и др.), а также за рубежом (США, Испания, ФРГ, Турция, Аргентина и в других странах). Результаты промышленной апробации представили убедительные доказательства значительных преимуществ нового вяжущего по отношению к традиционному цементу. Реализация этих преимуществ дает возможность использовать не только новые технические решения, но и разрешить ряд связанных с ними экологических аспектов.
Технология ВНВ обеспечивает возможность изготовления вяжущих с широким диапазоном вещественного состава и свойств – от многокомпонентных малоклинкерных вяжущих с содержанием клинкерной части 15…25% (ВНВ-15…ВНВ-25) до чисто клинкерных вяжущих, минеральная часть которых представлена только клинкерным компонентом и гипсом (ВНВ-100) [3].
Параметры изготовления и состав вяжущих определяют как их свойства, так и области применения. Область применения малоклинкерных вяжущих ограничивается неармированными и малоармированными изделиями, эксплуатирующимися в стабильных температурно-влажностных условиях и к которым не предъявляются повышенные требования по долговечности.
В противоположность этому, ВНВ-100 отличается повышенными показателями физико-механических свойств и долговечности, что делает технически целесообразным и экономически обоснованным применение бетонов на его основе при изготовлении ответственных инженерных конструкций и уникальных сооружений.
Таким образом, и малоклинкерные вяжущие, и чисто клинкерные ВНВ-100, представляющие собой предельные случаи вяжущих низкой водопотребности, не могут рассматриваться в качестве материалов, способных заменить в промышленных масштабах цементы общестроительного назначения, хотя первые отличаются значительным снижением содержанием клинкерного компонента и по этому показателю наиболее привлекательны в экологическом аспекте, реализация которого вступает в противоречие с ограниченной областью применения.
С точки зрения сочетания высоких строительно-технических свойств и ограниченного содержания клинкерного компонента наибольший интерес представляют вяжущие, содержащие 50-70% клинкерного компонента. Так, в промышленных испытаниях было показано, что прочность бетонов на ВНВ с 70% гранулированного шлака и ВНВ с 55% морского песка, а также ВНВ, изготовленного с применением 35% известняка, лишь слегка ниже контрольного бетона на обычном портландцементе. Бетон, изготовленный на ВНВ с 55% трасса, имеет чуть меньшую прочность, что может быть нивелировано повышением расхода ВНВ-45 в бетоне на 10…15 % [2].
Следует также учесть, что и по темпам твердения в нормальных условиях и в условиях ТВО ВНВ-50 не уступает портландцементам общестроительного назначения. Вместе с тем, наличие минеральных добавок в значительной степени способствует оптимизации процессов тепловыделения и структурообразования бетонов на основе ВНВ-50, а также повышению их сульфатостойкости и стойкости к выщелачиванию, что подтверждается результатами многочисленных экспериментов, выполненных в НИИЖБ и других институтах как в Российской Федерации, так и за рубежом [8]. При равной по сравнению с портландцементными бетонами морозостойкости, это позволяет говорить о ВНВ-50 как о полноправной и обоснованной замене для портландцементов общестроительного назначения, даже с учетом возросших требований к их качеству. В случае повышенных требований к цементу и бетону обосновано также и применение ВНВ-70, занимающего по свойствам промежуточное положение между ВНВ-50 и ВНВ-100.
При этом «удельное потребление заполнителей» в бетонах на ВНВ столь велико по сравнению с обычным портландцементом (max. 13 vs. max. 27), что это позволяет охарактеризовать ВНВ как новое поколение цементов [3].
Хотя в последние годы в цементном производстве достигнуты вполне заметные успехи, похоже, что это направление себя почти исчерпало и вышло на определенное технологическое «плато» [1]. Все разрабатываемые сегодня технологии, включая низкотемпературный синтез на основе «золь – гель» процессов, находятся пока в зародышевом состоянии [11].
Современная технология бетона («бетонная стратегия»)
В силу изложенных выше причин, становится понятно, почему необходимо искать новые подходы, основанные на снижении объемов применяемого в строительстве бетона: это большое воздействие на окружающую среду связано не столько с удельным энергопотреблением и эмиссией СО2, сколько с все увеличивающимся производством. В рамках этой стратегии главный и наиболее реализуемый шаг – производство бетона со сниженным общим содержанием цемента, что, несомненно, может привнести заметный вклад в «цементную стратегию».
Этот подход реализуется, прежде всего, за счет применения высокоэффективных суперпластификаторов, резко снижающих водопотребность бетонной смеси, активных минеральных добавок, таких как микрокремнезем, метакаолин, зола-уноса, тонкомолотые гранулированные шлаки и др., а также разнообразных инертных наполнителей, которые могут повысить функциональность бетонных смесей и бетонов, как, например, тонкомолотый известняк. Строго говоря, «пуццоланический эффект» и «эффект наполнителя» легко сочетаются и обеспечивают определенный синергизм.
Потенциал уменьшения потребления цемента при производстве бетона пока еще недооценен. Это связано с определенными опасениями снижения коррозионной стойкости бетона и долговечности железобетонных конструкций, поскольку основная масса действующих стандартов носит предписывающий характер и устанавливает минимальное содержание цемента в бетоне при конкретных условиях эксплуатации. Только в августе 2013 года были обновлены швейцарские стандарты по бетону (SIA 262 и SIA 262/1). Их актуализация стала большим шагом вперед по пути от предписывающих к параметрическим, «функциональным» стандартам, делая их наиболее продвинутыми из всех известных норм обеспечения долговечности. Все еще сохраняя ряд предписывающих требований, унаследованных от EN 206-1, швейцарские стандарты определили предельные значения для параметров долговечности, получаемых в ходе лабораторных испытаний (водопоглощения, коэффициента миграции хлоридов, морозостойкости в солях, стойкости к карбонизации) и регулярно контролируемых на испытательных образцах для подтверждения соответствия того, что запроектированные смеси обеспечивают требования для выбранного класса эксплуатации. Наконец, для конструкций, подвергающихся интенсивной карбонизации (XC4), морозному воздействию (XF1, XF2 и XF4) или воздействию хлоридов (XD1, XD2 и XD3), стандарт предлагает пределы для коэффициента воздухопроницаемости, измеряемого на месте. Таким образом, заказчики могут потребовать, чтобы строители доказали, что конечный продукт (элементы конструкции) обеспечивает установленные параметры долговечности [6].
Возможности снижения расхода цемента в бетоне за счет применения суперпластификаторов и минеральных добавок многократно исследовались большой группой ученых с оценкой развития прочности, параметров долговечности и трещинообразования [4]. Однозначно установлено, что, поддерживая постоянными водоцементное отношение и удобоукладываемость бетонной смеси, потребление цемента удается снизить не менее чем на 25…30% без ущерба для нормируемой прочности и долговечности. Оптимизация гранулометрического состава бетона за счет наполнителей и химических добавок позволяет по-иному взглянуть на проблемы обеспечения нормируемых показателей качества. Более того, такой подход обеспечивает улучшение показателей проницаемости бетона, снижает капиллярное водопоглощение и диффузию хлоридов. Эти эффекты усиливаются при использовании смешанных цементов.
Совершенствование нормативной базы и определение понятия «бетонов заданного качества» (EN 206-1, ГОСТ 7473 и другие стандарты) привели к развитию концепции «эквивалентных функциональных характеристик бетона» [10]. Согласно этой концепции, состав бетона, отличный от нормируемого, может применяться в проекте при соблюдении определенных условий, главным из которых является обеспечение заданных проектом параметров долговечности. Это должно быть подтверждено сопоставлением результатов испытаний «стандартного» и предлагаемого бетона по всем нормируемым показателям качества. Концепция уже достаточно широко применяется в ряде национальных стандартов (Бельгия, Нидерланды и др.), введена в пересмотренный европейский стандарт EN 206-1 и обозначена в новом межгосударственном стандарте ГОСТ 26633−2012. Ее развитие и широкая апробация, несомненно, приведут к появлению нового поколения «зеленых бетонов».
«Экологическое проектирование» конструкционного бетона
Подход к «экологическому проектированию» основан на таких моделях и способах проектирования конструкций, который учитывает совокупность факторов их воздействия на окружающую среду, базируясь на концепции «полного жизненного цикла» или моделях учета общего энергопотребления и интегральной эмиссии СО2. Обширные обзоры таких подходов достаточно подробно представлены в материалах профильных международных организаций.
Примером такого подхода является применение модели «полного жизненного цикла» при расчете нагрузки на окружающую среду при проектировании покрытий, армированных стальной и композитной арматурой. С использованием методологии «эко-индикаторов» было показано, что нагрузка от количества цемента в бетоне сравнима с нагрузкой от примененной стальной арматуры, применение композитной арматуры взамен стальной может ее значительно (до 50%) снизить.
Другой принцип оценки полного воздействия на окружающую среду был недавно применен при проектировании конструкций с целью минимизации суммарной эмиссии СО2 [5]. Расчетом было показано, что выбор конструкционных материалов может быть предопределен при их сравнении по «эквивалентной функциональности». Так, например, для свободно опертой балки таким индикатором функциональности может служить момент нагрузки на единицу пролета. В результате характеристическое значение условной эмиссии СО2 для стальной балки примерно в три раза больше, чем для железобетонной, изготовленной из бетона обычной прочности с заменой 40% цемента на золу-уноса.
Результаты применения таких методик проектирования однозначно указывают на тот факт, что при оценке экологической нагрузки важно принимать во внимание не только состав бетона, но и применяемую систему армирования, которая иногда оказывает даже большее влияние, чем сам бетон. Комплексные методы проектирования могут создать объективную основу оценки различных систем армирования и обеспечить стимул для широкого внедрения инноваций.
Заключение
Современное строительство немыслимо без бетона, мировой объем производства и потребления которого составляет более 4 млрд м3 в год. С учетом постоянного роста населения планеты к 2050 году ожидается удвоение этого объема, что, несомненно, фатально скажется на энергопотреблении и увеличении глобальных выбросов СО2 в атмосферу.
Существующие подходы к обеспечению устойчивого развития строительства их конструкционного бетона уже явно недостаточны. На смену уже во многом выработавшей себя «цементной стратегии» приходят новые, учитывающие последние достижения в области технологии бетона и расчета конструкций на основе их полного жизненного цикла. Они могут стать основой для решения глобальной задачи – сдержать все возрастающую нагрузку на окружающую среду, обеспечив 50%-ное снижение эмиссии СО2 и энергопотребления в строительном производстве. Отсюда особую остроту приобретает ставшая крылатой фраза П.K. Meхтa: “….будущее индустрии цемента и бетона будет в значительной степени зависеть от нашей способности взаимоувязать их рост с целью устойчивого развития…”
Список литературы:
- Chatterjee, A.K. Chemistry and engineering of the clinkerization process – incremental advances and lack of breakthroughs, Cement and Concrete Research, 41, 2011. pp 624-641
- Falikman V.R., Bashlykov N.F. Low Water Demand Binder Technology for Environmental Friendly Cements with Low Clinker Content. Proc. of the International RILEM Conference “Advances in Construction Materials through Science and Engineering”, 2011, Hong Kong, China, RILEM Publications S.A.R.L., p. 150, CD.
- Ioudovitch B.E., Dmitriev A.M., Zoubekhin S.A., Bashlykov N.F., Falikman V.R., Serdyuk V.N. Low-water Requirement Binders as New-generation Cements. 10th International Congress on the Chemistry of Cement, Pub. № 3iii021, Göteborg, Sweden, 1997.
- Katz, A. and Baum, H. Effect of high levels of fines content on concrete properties, ACI Materials Journal, 103(6), 2006. pp 474-482.
- Purnell, P. Material nature versus structural nurture: the embodied carbon of fundamental structural elements, Environmental Science and Technology, 46(1), 2011. pp 454-461
- Torrent R., Jacobs F. Swiss Standards 2013: Worlds Most Advanced Durability Performance Specifications // Бетон и железобетон – взгляд в будущее: научные труды III Всероссийской (II Международной) конференции по бетону и железобетону (Москва, 12 – 16 мая 2014 г.). В 7 т. Т. 6. Москва. МГСУ. 2014. 467 с. Стр. 405 – 415.
- Гусев Б.В., Ин Иен-лян С., Кузнецова Т.В. Цементы и бетоны – тенденции развития. – М.: Научный мир, 2012. – 136 с.
- Особенности технологии и свойств бетонов на основе вяжущих низкой водопотребности. Аналитический обзор – Промышленность строительных материалов. Сер. 3. Промышленность сборного железобетона. – М.: ВНИИЭСМ, 1992, вып.2. – 108 с.
- Патент России № 2096364 «Гидравлический цемент», Н.Ф.Башлыков, В.Р.Фаликман, В.Н.Сердюк и др., 1996, опубл. Бюл. № 32, 1997.
- Фаликман В.Р. Развитие концепции «эквивалентных характеристик» и проблемы обеспечения долговечности бетона. Международная конференция «Противокоррозионная защита — ключ к энергетической и экологической безопасности». РГУНГ им. И.М.Губкина. 2013 г., 171 с., стр. 67.
- Фаликман В.Р., Соболев К.Г. «Простор за пределом», или как нанотехнологии могут изменить мир бетона. Часть 2. Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал, №1, 2011, стр. 21-33. Гос. регистр. № 0421100108. URL: http // www.nanobuild.ru (дата обращения: 3.03.2011).[schema type=»book» name=»БЕТОН И ЖЕЛЕЗОБЕТОН В ЭПОХУ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ» author=»Гусев Борис Владимирович, Фаликман Вячеслав Рувимович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-08″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.02.2015_02(11)» ebook=»yes» ]